朱本全,杜馨
(湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院,湖北武漢 430068)
海藻糖,又叫酵母糖、蕈糖,是由兩分子葡萄糖通過(guò)α,α-1,1-糖苷鍵連接而形成的一種非還原性二糖,既是一種貯藏性碳水化合物,也是應(yīng)激代謝的重要產(chǎn)物。海藻糖作為昆蟲(chóng)的血糖,在昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育和滯育發(fā)育方面發(fā)揮重要的作用。滯育是昆蟲(chóng)受到不利于其生長(zhǎng)的環(huán)境而出現(xiàn)的生長(zhǎng)發(fā)育或生殖暫時(shí)中止的生理現(xiàn)象。在滯育前期和滯育解除過(guò)程中,昆蟲(chóng)通過(guò)特異性地積累或轉(zhuǎn)化體內(nèi)脂類、碳水化合物和氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),以提高存活率并保障解除后發(fā)育的能量需求[1]。海藻糖的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,能夠在細(xì)胞表面形成保護(hù)膜維持其生物分子構(gòu)型,增強(qiáng)昆蟲(chóng)抗逆性。海藻糖在寒冷條件下可以轉(zhuǎn)化成甘油、山梨醇等能夠提高昆蟲(chóng)抗寒性的多元醇,幫助昆蟲(chóng)度過(guò)寒冷、干旱等環(huán)境惡劣的生存時(shí)期,維持物種的延續(xù)。
目前已知的海藻糖合成途徑有5種:TREP途徑、TRET途徑、TS途徑、TPS/TPP途徑以及TREY/TREZ途徑。研究最深入的是TPS/TPP途徑,即尿苷二磷酸葡萄糖與6-磷酸葡萄糖在6-磷酸海藻糖合成酶(TPS)催化下生成6-磷酸海藻糖,再進(jìn)一步在6-磷酸海藻糖磷酸酯酶催化下去磷酸化,最終生成海藻糖的途徑,這是昆蟲(chóng)體內(nèi)海藻糖合成的最主要途徑。昆蟲(chóng)體內(nèi)的海藻糖不能被一般的酶水解,海藻糖酶是昆蟲(chóng)體內(nèi)唯一一種能分解海藻糖的酶[2]。海藻糖酶又稱海藻糖水解酶,是一種能夠?qū)⒁环肿雍T逄欠纸獬蓛煞肿悠咸烟堑奶禺愋悦?,分解產(chǎn)生的葡萄糖經(jīng)過(guò)糖酵解途徑生成丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán),并最終氧化形成水和二氧化碳,這個(gè)最普遍的降解過(guò)程能夠?yàn)槔ハx(chóng)的飛行和生長(zhǎng)發(fā)育提供能量。在發(fā)育的特殊時(shí)期,昆蟲(chóng)體內(nèi)的海藻糖會(huì)一直保持在一個(gè)較高水平[3]。
海藻糖酶由海藻糖基因編碼,以兩種不同類型存在于昆蟲(chóng)的大部分全身組織中。一種是可溶型海藻糖酶TRE1,另一種是膜結(jié)合型海藻糖酶TRE2。TRE1和TRE2分別調(diào)控不同位置的海藻糖酶活性,且海藻糖酶的活性多以可溶型海藻糖酶TRE1為主。
幾丁質(zhì)又稱甲殼素,是昆蟲(chóng)表皮外骨骼、腸道周圍營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)以及氣管結(jié)構(gòu)的重要組成成分。昆蟲(chóng)在發(fā)育過(guò)程中需要經(jīng)歷蛻皮過(guò)程,昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)每生長(zhǎng)到一定階段就要蛻掉舊的表皮,形成新表皮,幾丁質(zhì)在這個(gè)過(guò)程中扮演著重要的角色。部分昆蟲(chóng)在經(jīng)歷變態(tài)發(fā)育過(guò)程中會(huì)發(fā)生幾丁質(zhì)的降解。針對(duì)幾丁質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物合成途徑、降解過(guò)程進(jìn)行藥物處理可以導(dǎo)致昆蟲(chóng)無(wú)法形成新的幾丁質(zhì)表皮、蛻皮畸形、翅形發(fā)育畸形、氣管發(fā)育畸形甚至直接致死,以達(dá)到影響害蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程、控制害蟲(chóng)數(shù)量和殺滅害蟲(chóng)目的。
海藻糖循環(huán)路徑位于幾丁質(zhì)合成路徑的起始端,TPS/TPP通過(guò)該路徑進(jìn)行海藻糖的合成,TRE分解海藻糖,為幾丁質(zhì)的合成提供原料。研究發(fā)現(xiàn)海藻糖的合成與分解都對(duì)幾丁質(zhì)的合成有重要的調(diào)控作用[4]。通過(guò)破壞幾丁質(zhì)的供給平衡,對(duì)整個(gè)途徑產(chǎn)生影響,并最終體現(xiàn)在對(duì)昆蟲(chóng)發(fā)育的影響上。
從目前的研究來(lái)看,海藻糖酶最早在曲霉屬中被檢測(cè)到,隨后在細(xì)菌、真菌、低等動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物和植物體內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)其存在。昆蟲(chóng)等低等動(dòng)物可以在體內(nèi)合成存儲(chǔ)海藻糖,而脊椎動(dòng)物尚未發(fā)現(xiàn)有任何一例能在體內(nèi)合成儲(chǔ)存海藻糖的報(bào)道。在已錄入的脊椎動(dòng)物基因庫(kù)中也未發(fā)現(xiàn)海藻糖合成的相關(guān)基因。因此以海藻糖酶為靶標(biāo)可利用其對(duì)人畜安全的選擇毒性[5]。
目前抑制機(jī)制研究得較清楚的有海藻唑啉(Trehazolin)、有效霉素A和B(ValidoxylamineA、B)、2R,5R-二羥甲基、3R,4R-二羥基吡咯(DMDP)、salbostatin、井岡霉素(Validamvcin)等。這些抑制劑能夠與海藻糖酶上的活性位點(diǎn)結(jié)合,或作為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與海藻糖爭(zhēng)奪結(jié)合位點(diǎn),從而抑制海藻糖酶的活性,影響昆蟲(chóng)體內(nèi)幾丁質(zhì)的代謝過(guò)程,導(dǎo)致昆蟲(chóng)在發(fā)育時(shí)期蛻皮困難而死亡,無(wú)法生長(zhǎng)為成蟲(chóng)[6]。但這類抑制劑缺點(diǎn)比較明顯,雖然在離體實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了很高的活性,但其活體效果較差,尚未有有效的改進(jìn)產(chǎn)品面世[7]。如何保證抑制劑的離體活性是亟待解決的問(wèn)題之一。
化學(xué)修飾可以改變酶蛋白的分子結(jié)構(gòu),包括主鏈結(jié)構(gòu)和側(cè)鏈基團(tuán)等。在氨基酸側(cè)鏈外部有很多功能基團(tuán),這些功能基團(tuán)的位點(diǎn)通常都是酶的重要活性位點(diǎn),對(duì)酶的活性有重要作用。專一性的化學(xué)修飾劑與可溶型海藻糖酶蛋白中特定側(cè)鏈功能基團(tuán)結(jié)合,可以導(dǎo)致海藻糖酶活性降低甚至完全失活[8]。通過(guò)了解這些海藻糖酶活性位點(diǎn)的氨基殘基數(shù)量和性質(zhì),可以推測(cè)海藻糖酶的空間構(gòu)象、活性位點(diǎn)等,再針對(duì)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的藥物。
針對(duì)幾丁質(zhì)途徑的RNA靶向干擾技術(shù)[9]對(duì)TRE1、TRE2和TPS進(jìn)行干擾,阻礙幾丁質(zhì)通路從而導(dǎo)致蟲(chóng)體的畸形和死亡也是一種有效的技術(shù)手段。干擾TRE后,海藻糖的分解路徑受阻,不僅幾丁質(zhì)的合成被抑制,同時(shí)也會(huì)干擾幾丁質(zhì)的分解過(guò)程,使得昆蟲(chóng)因?yàn)閹锥≠|(zhì)含量減少而出現(xiàn)蛻皮困難等現(xiàn)象。
中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),綠色殺蟲(chóng)劑的發(fā)展是大勢(shì)所趨。海藻糖酶作為昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中最為重要的調(diào)節(jié)酶之一,其合成途徑的阻斷、降解過(guò)程的促進(jìn)以及生物活性的抑制是許多研究人員的研究重點(diǎn)。如果能夠有效抑制海藻糖酶的活體活性,將對(duì)害蟲(chóng)綠色生物防治、提高農(nóng)作物質(zhì)量產(chǎn)量做出巨大貢獻(xiàn)。